Opredelitev
Encimi so beljakovine, proizvedene v rastlinskih in živalskih celicah, ki delujejo kot katalizatorji, ki pospešujejo biološke reakcije, ne da bi jih spremenili.
Encimi delujejo tako, da se v kombinaciji z določeno snovjo spremenijo v drugo snov; klasične primere podajajo prebavni encimi, prisotni v slini, želodcu, trebušni slinavki in tankem črevesju, ki opravljajo bistveno funkcijo pri prebavi in pomagajo razgraditi hrano na osnovne sestavine, ki jih nato telo absorbira in porabi, predelajo pa drugi encimi oz. izločajo kot odpadke.
Vsak encim ima posebno vlogo: tisti, ki na primer razgrajuje maščobe, ne deluje na beljakovine ali ogljikove hidrate. Encimi so bistveni za dobro počutje organizma. Pomanjkanje, tudi enega samega encima, lahko povzroči resne motnje. Znan primer je fenilketonurija (PKU), bolezen, za katero je značilna nezmožnost presnove esencialne aminokisline, fenilalanin, katerega kopičenje lahko povzroči telesne deformacije in duševne bolezni.
Biokemijska študija
Encimi so posebni proteini, za katere je značilno, da so biološki katalizatorji, to pomeni, da lahko razgradijo aktivacijsko energijo (Eatt) reakcije in spremenijo njeno pot, tako da je kinetično počasen proces hitrejši.
Encimi povečujejo kinetiko termodinamično možnih reakcij in so za razliko od katalizatorjev bolj ali manj specifični: zato imajo specifičnost substrata.
Encim ni vključen v stehiometrijo reakcije: da bi se to zgodilo, mora biti končno katalitično mesto enako začetnemu.
Pri katalitičnem delovanju je skoraj vedno počasna faza, ki določa hitrost procesa.
Ko govorimo o encimih, ni pravilno govoriti o ravnovesnih reakcijah, namesto tega govorimo o stanje dinamičnega ravnovesja (stanje, v katerem se določen presnovek stalno tvori in porabi, njegova koncentracija pa sčasoma ostane skoraj konstantna). Produkt reakcije, ki jo katalizira en encim, je običajno sam reaktant za naslednjo reakcijo, ki jo katalizira drug encim itd.
Procesi, ki jih katalizirajo encimi, so običajno sestavljeni iz zaporedij reakcij.
Generično reakcijo, ki jo katalizira encim (E), lahko povzamemo na naslednji način:
E je encim
S je substrat;
ES predstavlja adukt med encimom in substratom;
P je izdelek;
K je konstanta hitrosti reakcije.
Generični encim (E) se v kombinaciji s substratom (S) tvori adukt (ES) s hitrostno konstanto K1; lahko se disociira nazaj v E + S s konstanto hitrosti K2 ali, (če "živi" dovolj dolgo ) lahko nadaljuje v obliko P s konstanto hitrosti K3.
Produkt (P) se lahko nato rekombinira z encimom in reformira adukt s konstanto hitrosti K4.
Ko se encim in substrat zmešata, obstaja le del časa, v katerem se srečanje med obema vrstama še ni zgodilo: to pomeni, da je izredno kratek časovni interval (ki je odvisen od reakcije), v katerem ima encim in substrat še ni izpolnjen; po tem obdobju pridejo encim in substrat v stik v vse večjih količinah in nastane ES adukt. Nato encim deluje na substrat in produkt se sprosti. Nato lahko rečemo, da je c "začetni časovni interval, v katerem koncentracije adukta ES ni mogoče določiti; po tem obdobju se predpostavlja, da je stanje dinamičnega ravnovesja je hitrost procesov, ki vodijo do pridobivanja adukta, enaka hitrosti procesov, ki vodijo do uničenja adukta.
Michaelis-Mentenova konstanta (KM) je ravnotežna konstanta (sklicuje se na prvo zgoraj opisano ravnotežje); z dobrim približkom (ker je treba upoštevati tudi K3) je mogoče reči, da je KM predstavljeno z razmerjem med kinetičnimi konstantami K2 in K1 (nanaša se na uničenje in nastanek ES adukta v prvem zgoraj opisanem ravnotežju) .
Skozi Michaelis-Mentenovo konstanto imamo "pokazatelj afinitete med encimom in substratom: če je KM majhen c" je "visoka afiniteta med encimom in substratom, potem je adukt ES stabilen.
Encimi so predmet regulacije (ali modulacije).
V preteklosti se je večinoma govorilo o negativni modulaciji, to je o zaviranju katalitičnih sposobnosti encima, lahko pa je tudi o pozitivni modulaciji, to pomeni, da obstajajo vrste, ki lahko povečajo katalitične sposobnosti encima.
Obstajajo 4 vrste inhibicij (pridobljene iz približkov na modelu, da se poskusni podatki ujemajo z matematičnimi enačbami):
- konkurenčna inhibicija
- nekonkurenčna inhibicija
- nekonkurenčna inhibicija
- konkurenčna inhibicija
O konkurenčni inhibiciji govorimo, kadar je molekula (inhibitor) sposobna tekmovati s substratom. Zaradi strukturne podobnosti lahko zaviralec reagira namesto substrata; od tod tudi terminologija "konkurenčna inhibicija". Verjetnost, da se encim veže na inhibitor ali substrat, je odvisna od koncentracije obeh in njihove afinitete z encimom; hitrost reakcije je torej odvisna od teh dejavnikov.
Za dosego enake hitrosti reakcije kot brez prisotnosti inhibitorja je potrebna višja koncentracija substrata.
Eksperimentalno je dokazano, da se v prisotnosti inhibitorja Michaelis-Mentenova konstanta poveča.
Namesto tega "nekonkurenčna inhibicija", interakcija med molekulo, ki bi morala delovati kot modulator (pozitivni ali negativni inhibitor), in "encimom" poteka na mestu, ki se razlikuje od tistega, na katerem je interakcija med encimom in substratom; zato govorimo o alosterični modulaciji (iz gr allosteros → drugo spletno mesto).
Če se zaviralec veže na encim, lahko povzroči spremembo v strukturi encima in posledično lahko zmanjša učinkovitost, s katero se substrat veže na encim.
Pri tej vrsti postopka ostane Michaelis-Mentenova konstanta konstantna, saj je ta vrednost odvisna od ravnovesja med encimom in substratom in tudi v prisotnosti inhibitorja se ta ravnotežja ne spremenijo.
Pojav nekonkurenčne inhibicije je redek; tipičen nekonkurenčni zaviralec je snov, ki se reverzibilno veže na ES -adukt in povzroči ESI:
Zaviranje presežka substrata je včasih lahko nekonkurenčno, saj se to zgodi, ko se druga molekula substrata veže na kompleks ES in tako nastane kompleks ESS.
Po drugi strani se lahko konkurenčni zaviralec veže le na substratni encimski adukt, kot v prejšnjem primeru: vezava substrata na prosti encim povzroči konformacijsko spremembo, zaradi česar je mesto dostopno za zaviralce.
Michaelis Mentenova konstanta se zmanjšuje s povečanjem koncentracije inhibitorja: očitno se zato afiniteta encima do substrata poveča.
Serinska proteaza
So družina encimov, ki ji pripadata kimotripsin in tripsin.
Kimotripsin je proteolitični in hidrolitični encim, ki seka desno od hidrofobnih in aromatskih aminokislin.
Produkt gena, ki kodira kimotripsin, ni aktiven (aktivira se z ukazom); neaktivno obliko kimotripsina predstavlja polipeptidna veriga 245 aminokislin. Kimotripsin ima kroglasto obliko zaradi petih disulfidnih mostov in drugih manjših interakcij (elektrostatične, Van der Waalsove sile, vodikove vezi itd.).
Kimotripsin proizvajajo kimozne celice trebušne slinavke, kjer so v posebnih membranah in se izločajo skozi kanal trebušne slinavke v črevo, v času prebave hrane: kimotripsin je v resnici prebavni encim. Beljakovine in hranila, ki jih zaužijemo s prehrano, se podvržejo prebavi, da se zmanjšajo na manjše verige in se absorbirajo in pretvorijo v energijo (npr. Amilaze in proteaze razgrajujejo hranila v glukozo in aminokisline, ki pridejo v celice skozi krvne žile dosežejo portalno veno in se od tam odpeljejo v jetra, kjer se podvržejo nadaljnjemu zdravljenju).
Encimi nastajajo v neaktivni obliki in se aktivirajo šele, ko pridejo na "mesto, kjer morajo delovati"; ko je njihovo dejanje končano, se deaktivirajo. Enkrat deaktiviranega encima ni mogoče ponovno aktivirati: za "nadaljnje katalitično delovanje ga je treba nadomestiti" z drugo molekulo encima. Če bi se himitripsin v aktivni obliki proizvajal že v trebušni slinavki, bi slednji napadel: pankreatitis so patologije zaradi prebavnih encimov, ki so že aktivirani v trebušni slinavki (in ne na zahtevanih mestih); nekateri od njih, če se ne zdravijo pravočasno, vodijo v smrt.
V kimotripsinu in v vseh serinskih proteazah je katalitično delovanje posledica obstoja alkoholnega aniona (-CH2O-) v stranski verigi serina.
Serinske proteaze nosijo to ime ravno zato, ker je njihovo katalitično delovanje posledica serina.
Ko je en encim opravil svoje delovanje, ga je treba pred ponovnim delovanjem na substratu obnoviti z vodo; "sproščanje" serina v vodi je najpočasnejša stopnja procesa in to je ta faza ki določa hitrost katalize.
Katalitično delovanje poteka v dveh fazah:
- nastanek aniona s katalitičnimi lastnostmi (anionski alkoholat) in poznejši nukleofilni napad na karbonilni ogljik (C = O) s cepitvijo peptidne vezi in tvorbo estra;
- vodni napad z obnovo katalizatorja (lahko ponovno pokaže svoje katalitično delovanje).
Različni encimi, ki pripadajo družini serinskih proteaz, so lahko sestavljeni iz različnih aminokislin, vendar je za vse njih katalitično mesto predstavljeno z alkoholnim anionom stranske verige serina.
Poddružina serinskih proteaz je encimi, vključeni v koagulacijo (ki je sestavljena iz transformacije beljakovin, iz njihove neaktivne oblike v "drugo obliko, ki je aktivna". Ti encimi zagotavljajo, da je koagulacija čim bolj učinkovita in omejena pri prostor in čas (koagulacija se mora zgoditi hitro in se mora pojaviti le v bližini poškodovanega območja). Encimi, ki sodelujejo pri koagulaciji, se aktivirajo v kaskadi (z aktivacijo enega samega encima se pridobijo milijarde encimov: vsak aktiviran encim , pa aktivira številne druge encime).
Tromboza je patologija zaradi okvare koagulacijskih encimov: nastane zaradi aktivacije, brez potrebe (ker ni poškodbe), encimov, ki se uporabljajo pri koagulaciji.
Za druge encime obstajajo modulirajoči (regulacijski) encimi in zaviralni encimi: v interakciji s slednjimi uravnavajo ali zavirajo njihovo delovanje; tudi produkt encima je lahko zaviralec encima. Obstajajo tudi encimi, ki delujejo bolj, večji je prisoten substrat.
Lizocim
Luigi Pasteur je s kihanjem na petrijevki odkril, da v sluzi obstaja encim, ki lahko ubije bakterije: lizocim; iz grščine: liso = kakšne velikosti; zimo = encim.
Lizocim je sposoben razbiti celično steno bakterij. Bakterije in enocelični organizmi na splošno potrebujejo mehansko odporne strukture, ki omejujejo njihovo obliko; v bakterijah je zelo visok osmotski tlak, zato privlačijo vodo. Plazemska membrana bi eksplodirala, če ne bi bilo celične stene, ki bi nasprotovala vstopu vode in omejila količino bakterije.
Celično steno sestavlja polisaharidna veriga, v kateri se izmenjavajo molekule N-acetil-glukozamina (NAG) in molekule N-acetil-muraminske kisline (NAM); vez med NAG in NAM se prekine s hidrolizo.Karboksilna skupina NAM v celični steni sodeluje v peptidni vezi z aminokislino.
Med različnimi verigami nastanejo mostovi, sestavljeni iz psevdopeptidnih vezi: razvejanje je posledica molekule lizina; struktura kot celota je zelo razvejana in to ji daje visoko stabilnost.
Lizocim je antibiotik (ubija bakterije): deluje tako, da naredi razpoko v bakterijski steni; ko se ta struktura (ki je mehansko odporna) zlomi, bakterija črpa vodo, dokler ne poči. Lizocimu uspe prekiniti glukozidno vez β-1,4 med NAM in NAG.
Katalitično mesto lizocima predstavlja utor, ki poteka vzdolž encima, v katerega je vstavljena polisaharidna veriga: v utor je postavljenih šest glukozidnih obročev verige.
V položaju tri utora c "je zadušitev: v tem položaju je mogoče postaviti samo en NAG, ker NAM, ki je višjih dimenzij, ne more vstopiti. Dejansko katalitično mesto je med položaji štiri in pet: ker obstaja NAG v tretjem položaju, bo rez potekal med NAM in NAG (in ne obratno); rez je zato specifičen.
Optimalni pH za delovanje lizocima je pet. Na katalitičnem mestu encima, to je med četrtim in petim položajem, sta stranski verigi asparaginske in glutaminske kisline.
Stopnja homologije: meri sorodnost (tj. Podobnost) med proteinskimi strukturami.
Med lizocimom in laktozo-sintazo obstaja močna povezava.
Laktoza sintetaza sintetizira laktozo (ki je glavni mlečni sladkor): laktoza je galaktozil glukozid, v katerem je c "β-1,4 glukozidna vez med galaktozo in glukozo.
Zato laktoza sintetaza katalizira reakcijo, ki je nasprotna tisti, ki jo katalizira lizocim (ki namesto tega razcepi glukozidno vez β-1,4)
Laktoza sintetaza je dimer, torej je sestavljena iz dveh beljakovinskih verig, od katerih ima ena katalitične lastnosti in je primerljiva z lizocimom, druga pa je regulativna podenota.
Med nosečnostjo celice mlečne žleze sintetizirajo glikoproteine z delovanjem galatozil-transferaze (ima "homologijo zaporedja 40% z lizocimom"): ta encim lahko prenese galaktozilno skupino iz visokoenergetske strukture v glikoproteinska struktura.Med nosečnostjo se inducira ekspresija gena, ki kodira galaktoziil-transferazo (obstaja tudi ekspresija drugih genov, ki dajejo tudi druge produkte): povečuje se velikost dojk, ker se aktivira mlečna žleza (prej neaktivna), ki mora proizvajati mleko. Med porodom se proizvaja α-laktalbumin, ki je regulatorna beljakovina: lahko uravnava katalitično sposobnost galaktozil-transferaze (z razlikovanjem substrata). Galaktozil-transferaza, modificirana z α-laktalalbuminom, lahko prenese galaktozil na molekulo glukoze: tvori β-1,4 glikozidno vez in daje laktozo (laktozo sintetazo).
Zato galaktoza transferaza pripravi mlečno žlezo pred porodom in proizvede mleko po porodu.
Za proizvodnjo glikoproteinov se galaktozil transferaza veže na galaktozil in NAG; med porodom se laktalni albumin veže na galaktoziltransferazo, zaradi česar slednji prepozna glukozo in ne več NAG, da bi dajal laktozo.
